Thermische Verfahrenstechnik I. Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 1 University of Applied Sciences Kaiserslautern

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1 Thermische Verfahrenstechnik I Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 1 Gliederung 1. Einführung 2. Thermodynamische h Grundlagen 3. Thermische Trennverfahren / Apparative Gestaltung 3.1 Destillation/Rektifikation 3.2 Extraktion 3.3 Absorption 3.4 Adsorption 3.5 Apparate zur Wärmeübertragung Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 2 1

2 Zusammenhang zwischen Verkaufspreis (Trennaufwand) und Konzentration des Wertstoffes im Gemisch (aus C.J. King, Separation Processes, MacGraw-Hill,1980) Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 3 Produktion durch Änderung der Stoffgemischzusammensetzung Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 4 2

3 Produktion durch Änderung der Stoffeigenschaften Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 5 Produktion durch Änderung der Stoffumwandlung Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 6 3

4 Beispiel Kaffeekochen Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 7 Anwendungsgebiete Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 8 4

5 Abgrenzung zu anderen Wissenschaften Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 9 Beispiel: Herstellung von Ethanol aus Biomasse Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 10 5

6 Schematischer Prozessaufbau Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 11 Grundfließbild (Herstellung von Ethanol aus Biomasse) Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 12 6

7 Verfahrensfließbild ( Herstellung von Ethanol aus Biomasse) Symbole nach DIN s. Vorlesung Anlagenplanung Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 13 RI-Fließbild Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 14 7

8 RI-Fließbild (Fortsetzung) Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 15 Verfahrensfließbild mit Bilanz für Massen und Energien Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 16 8

9 Einteilung der Trennverfahren in der Verfahrenstechnik Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 17 Fördern Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 18 9

10 Verdampfen, Verflüssigen Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 19 Rühren (Mechan. Verfahrenstechnik, jedoch häufig in Verbindung mit Wärmeübertragung) Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 20 10

11 CFD-Simulation Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 21 Trennapparate (mechanische oder thermische Trennung) Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 22 11

12 Verfahrenstechnische Bilanzen (Stoffe, Energie etc.) Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 23 Energiebilanz an einem Warmwasserboiler Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 24 12

13 Einzelmassebilanz: Beispiel Holz beim Lagerfeuer Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 25 Komplexe Bilanzen: Beispiel Auslegung eines Fermenters Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 26 13

14 Beispielprozess Kaffeekochen Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 27 Beispielprozess Kaffeekochen (Fortsetzung) Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 28 14

15 Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 29 Versuche und / oder Berechnung Miniplant: Durchsatz: kg/h Pilotanlage Durchsatz: ~ 100 kg/h Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 30 15

16 Bedeutung verschiedener Stoffeigenschaften für die Auslegung von Rektifikationskolonnen Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 31 Bisher Ideales Gas (Reinstoff und Mischungen) p V m R T Molar: 3D-Darstellung p V n T Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 32 16

17 Die p,v,t-fläche eines reinen, realen Stoffes Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 33 lg(p),h-diagramm für das Kältemittel R134a Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 34 17

18 Realgasfaktor Z=(pv/RT) für reine Fluide Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 35 Van der Waals-Gleichung Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 36 18

19 Beispiele für Zustandsgleichungen reiner Stoffe Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 37 Oberfläche eines Simulationsprogrammes Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 38 19

20 Verdampfungsenthalpie h V (p,t s ) Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 39 Umrechnung zwischen unterschiedlichen Konzentrationsangaben Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 40 20

21 Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 41 Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 42 21

22 Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 43 Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 44 22

23 Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 45 Verschiedene Phasengleichgewichtsdiagramme für folgende Systeme: System Aktivitätskoeffizient Benzol (1) Toluol (2) i 1 Methanol (1) Wasser (2) i 1 Ethanol (1) Benzol (2) i 1 n-butanol (1) Wasser (2) i 1 Aceton (1) Chloroform (2) i 1 Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 46 23

24 Engsiedendes Gemisch (kleine Differenzen in den Siedepunkten der reinen Komponenten) Propylen / Propan bei bar 1.0 Y1 Mo olanteil X1 Molanteil Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 47 Binäres System mit Temperaturmaximum i <1 Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 48 24

25 Beispiele für die mittlere relative Flüchtigkeit ij binärer Gemische: Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 49 Destillationskolonne: Fachbegriffe Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 50 25

26 Graphische und Short-cut Auslegungsverfahren von Rektifikationen Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 51 Graphische und Short-cut Auslegungsverfahren von Rektifikationen Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 52 26

27 Graphische und Short-cut Auslegungsverfahren von Rektifikationen Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 53 Azeotroprektifikation nach dem Zweidruckverfahren Druck p 1 < p 2 Druck p 2 > p 1 Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 54 27

28 Extraktiv- oder Schleppmittel-Rektifikationen Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 55 Heteroazeotroprektifikation Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 56 28

29 Einteilung von Kolonneneinbauten Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 57 Bauweisen von Kolonnen (Packung-links, Füllkörper-rechts) Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 58 29

30 Bauweisen von Kolonnen (Bodenkolonnen) Glocke Querstromboden Ventil Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 59 Belastungsmessungen/-grenzen von Böden Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 60 30

31 Thormannboden Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 61 Schlitzboden Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 62 31

32 Packungen Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 63 Füllkörper Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 64 32

33 Flüssigkeitsverteiler in Kolonnen (Stauverteiler) Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 65 Flüssigkeitsverteiler in Kolonnen (Vordruckverteiler) Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 66 33

34 Auflageroste für Packungen (Stabroste) Rundstabroste Flachstabroste Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 67 Fluiddynamikprüfstand der FH KL Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 68 34

35 Auflageroste für Füllkörper Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 69 Belastungskennfeld Glockenboden/Querstrom Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 70 35

36 Belastungskennfeld Packungen Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 71 Wirkungsgrad von Böden Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 72 36

37 Druckverlust von Böden Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 73 Trennverfahren Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 74 37

38 Extraktionsprinzip Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 75 Lösemittelauswahl Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 76 38

39 Kolonnenbauarten Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 77 Kolonnenbauarten Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 78 39

40 Lösemittelauswahl Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 79 Physikalische Extraktion Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 80 40

41 Unlösliche Trägersysteme Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 81 Rechnen mit Beladungen Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 82 41

42 Das Dreiecksdiagramm Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 83 Phasengleichgewicht im Dreiecksdiagramm Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 84 42

43 Massenanteile im Dreiecksdiagramm Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 85 Mischungslücken im Dreiecksdiagramm Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 86 43

44 Phasengleichgewicht im Dreiecksdiagramm (Zerfall einer Mischung) Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 87 Das Polstrahlverfahren im Dreiecksdiagramm Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 88 44

45 Kolonnenbauarten Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 89 Das Polstrahlverfahren Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 90 45

46 Polstrahlverfahren (Fortsetzung) Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 91 Prinzipielle Vorgänge bei der Extraktion Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 92 46

47 Einfluss der Stoffaustauschrichtung auf die Tropfenbildung Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 93 Einbauten in Extraktionskolonnen Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 94 47

48 Fluten in Gegenstromextraktionskolonnen Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 95 Idealer Gegenstrom Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 96 48

49 Axiale Rückvermischung Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 97 Tropfenbildung am Verteiler Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 98 49

50 Mixer-Settler Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 99 Mixer-Settler in Kastenbauweise Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie

51 Kolonnen ohne Energieeintrag Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 101 Packungskolonne Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie

52 Kolonnen mit Energieeintrag (gepulste und Schwingplattenkolonne) Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 103 Kolonnen mit Energieeintrag (gerührte) Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie

53 Extraktionskonzept 1 Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 105 Extraktionskonzept 2 Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie

54 Apparateauswahl Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 107 Apparateauswahl (Fortsetzung) Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie

55 Phasengleichgewicht im Dreiecksdiagramm Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 109 Phasengleichgewicht im Dreiecksdiagramm Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie

56 Phasengleichgewicht im Dreiecksdiagramm Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 111 Phasengleichgewicht im Dreiecksdiagramm Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie

57 Phasengleichgewicht im Dreiecksdiagramm Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 113 Phasengleichgewicht im Dreiecksdiagramm Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie

58 Phasengleichgewicht im Dreiecksdiagramm Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 115 Phasengleichgewicht im Dreiecksdiagramm Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie

59 Phasengleichgewicht im Dreiecksdiagramm Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie 117 Phasengleichgewicht im Dreiecksdiagramm Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Folie

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